Глава 2

Вентиляция

Как воздух поступает в альвеолы

В этой и следующих двух главах рассмотрено, каким об­разом вдыхаемый воздух поступает в альвеолы, как газы переходят через альвеолярно-капиллярный барьер и как они удаляются из легких с током крови. Эти три процесса обес­печиваются соответственно вентиляцией, диффузией и кровотоком.

Рис. 2.1. Схема легкого. Приведены типичные значения объемов и рас­ходов воздуха и крови. На практике эти величины существенно варьи­руют (по J. В. West: Ventilation/Blood Flow and Gas Exchange. Oxford, Blackwell, 1977, p. 3, с изменениями)

На рис. 2.1 приведено схематическое изображение легкого. Бронхи, образующие воздухоносные пути (см. рис. 1.3), пред­ставлены здесь одной трубкой (анатомическим мертвым про­странством). По ней воздух поступает в газообменные отделы, ограниченные альвеолярно-капиллярной мембраной и кровью легочных капилляров. При каждом вдохе в легкие поступает около 500 мл воздуха (дыхательный объем). Из рис. 2.1 вид­но, что объем анатомического мертвого пространства мал по сравнению с общим объемом легких, а объем капиллярной крови гораздо меньше, чем объем альвеолярного воздуха (см. также рис. 1.7).

Легочные объемы

Перед тем как перейти к динамическим показателям вен­тиляции, полезно коротко рассмотреть “статические” легоч­ные объемы. Некоторые из них можно измерить с помощью спирометра (рис. 2.2). Во время выдоха колокол спирометра поднимается, а перо самописца опускается. Амплитуда коле­баний, записываемых при спокойном дыхании, соответствует дыхательному объему. Если же обследуемый делает макси­мально глубокий вдох, а затем — как можно более глубокий выдох, то регистрируется объем, соответствующий жизнен­ной емкости легких (ЖЕЛ). Однако даже после максималь­ного выдоха в них остается некоторое количество воздуха — остаточный объем (ОО). Объем газа в легких после нормаль­ного выдоха называется функциональной остаточной емкостью (ФОЕ).

Функциональную остаточную емкость и остаточный объем нельзя измерить с помощью простого спирометра. Для этого применим метод разведения газа (рис. 2.3), заключающийся в следующем. Воздухоносные пути обследуемого соединяются со спирометром, содержащим в известной концентрации ге­лий—газ, практически нерастворимый в крови. Обследуемый делает несколько вдохов и выдохов, в результате чего кон­центрации гелия в спирометре, и в легких выравниваются. По­скольку потерь гелия не происходит, можно приравнять его количества до и после выравнивания концентраций, рав­ные соответственно C₁ X V₁ (концентрация X объем) и С₂ X X (V₁+V₂). Следовательно, V₂ = V₁ (C₁ —С₂)/С₂. На прак­тике в ходе выравнивания концентраций в спирометр добав­ляют кислород (чтобы компенсировать поглощение этого газа испытуемым) и абсорбируют выделяемый углекислый газ.

Функциональную остаточную емкость (ФОЕ) можно изме­рить также с помощью общего плетизмографа (рис. 2.4). Он представляет собой крупную герметичную камеру, напоми­нающую кабинку телефона-автомата, с обследуемым внутри.

Рис. 2.2. Легочные объемы. Обратите внимание па то, что функциональ­ную остаточную емкость и остаточный объем нельзя измерить методом спирометрии

Рис. 2.3. Измерение функциональной остаточной емкости (ФОЕ) методом разведения гелия

В конце нормального выдоха с помощью заглушки перекрывается мундштук, через который дышит обследуемый, и его просят сделать несколько дыхательных движений. При по­пытке вдоха газовая смесь в его легких расширяется, объем их увеличивается, а давление в камере растет с уменьшением объема воздуха в ней. По закону Бойля—Мариотта произ­ведение давления на объем при постоянной температуре — величина постоянная. Таким образом, P1V1 == P2(V1 —deltaV), где P₁ и P₂—давление в камере соответственно до попытки вдохнуть и во время нее, V₁ — объем камеры до этой попытки, a AV — изменение объема ка­меры (или легких). Отсюда можно рассчитать AV.

Далее необходимо применить закон Бойля—Мариотта к воздуху в легких. Здесь за­висимость будет выглядеть следующим образом: P₃V₂ =P₄ (V₂ + AV), где Р₃ и Р₄ — давление в полости рта соот­ветственно до попытки вдох­нуть и во время нее, a V₂ — ФОЕ, которая и рассчитыва­ется по этой формуле.

Рис. 2.4. Измерение ФОЕ с по­мощью общей плетизмографии. Когда обследуемый пытается сде­лать вдох при перекрытых воздухоносных путях, объем его легких несколько увеличивается, давление в дыхательных путях снижается, а давление в камере повышается. Отсюда, используя закон Бойля—Мариотта, можно рассчитать объем легких (подроб­нее см. в тексте)

Методом общей плетизмо­графии измеряется общий объ­ем воздуха в легких, в том чис­ле и участков, не сообщаю­щихся с полостью рта вслед­ствие того, что их воздухоносные пути перекрыты (см., на­пример, рис. 7.9). В отличие от этого метод разведения ге­лия дает лишь объем воздуха, сообщающегося с полостью рта, т. е. участвующий в вентиляции. У молодых здоровых людей эти два объема практи­чески одинаковы. У лиц же, страдающих легочными заболе­ваниями, участвующий в вентиляции объем может быть зна­чительно меньше общего, так как большое количество газов изолируется в легких из-за обструкции (закрытия) дыхатель­ных путей.

Вентиляция

Предположим, что при каждом выдохе из легких уда­ляется 500 мл воздуха (рис. 2.1) и что в минуту совершается 15 дыхательных движений. В этом случае общий объем, вы­дыхаемый за 1 мин, равен 500Х15 ==7500 мл/мин. Это так называемая общая вентиляция, или минутный объем дыха­ния. Объем воздуха, поступающего в легкие, несколько боль­ше, так как поглощение кислорода слегка превышает выде­ление углекислого газа.

Однако не весь вдыхаемый воздух достигает альвеоляр­ного пространства, где происходит газообмен. Если объём вдыхаемого воздуха равен 500 мл (как на рис. 2.1), то 150 мл остается в анатомическом мертвом пространстве и за минуту через дыхательную зону легких проходит (500—150)Х15=5250 mл атмосферного воздуха. Эта величина называется альвеолярной вентиляцией. Она имеет важнейшее значение, так как соответствует количеству “свежего воздуха”, который может участвовать в газообмене (строго говоря, альвеоляр­ную вентиляцию измеряют по количеству выдыхаемого, а не вдыхаемого воздуха, однако разница в объемах очень не­велика).

Общую вентиляцию можно легко измерить, попросив об­следуемого дышать через трубку с двумя клапанами—впу­скающим воздух при вдохе в воздухоносные пути и выпу­скающим его при выдохе в специальный мешок. Альвеоляр­ную вентиляцию оценить сложнее. Один из способов ее определения заключается в измерении объема анатомического мертвого пространства (см. ниже) и вычислении его венти­ляции (объем X частота дыханий). Полученную величину вы­читают из общей вентиляции легких.

Расчеты выглядят следующим образом (рис. 2.5). Обозна­чим V_т, V_p, V_a соответственно дыхательный объем, объем мертвого пространства и объем альвеолярного пространства. Тогда V_T=V_D+V_A, ¹⁾

откуда

V_T•n =V_D•n +V_A•n,

где n - частота дыхания; следовательно,

V_E=V_D+V_A

где V — объем за единицу времени, V_E — общая экспиратор­ная (оцениваемая по выдыхаемому воздуху) легочная венти­ляция, V_D и V_A — вентиляция мертвого пространства и альвео­лярная вентиляция соответственно (общий список обозначе­ний приведен в приложении). Таким образом,

V_A=V_E-V_D

Сложность этого метода заключается в том, что объем анатомического мертвого пространства измерить трудно, хотя с небольшой ошибкой можно принять его равным определен­ной величине.

¹⁾ Следует подчеркнуть, что V_A —это количество воздуха, поступаю­щее в альвеолы при одном вдохе, а не общее количество альвеолярного воздуха в легких.

Рис. 2.5. Воздух, покидающий легкие при выдохе (дыхательный объем, V_D), поступает из анатомического мертвого пространства (Vo) и альвеол (va). Густота точек на рисунке соответствует концентрации СО₂. F— фракционная концентрация; I—инспираторный воздух; Е—экспиратор­ный воздух. См. для сравнения рис. 1.4 (по J. Piiper с изменениями)

У здоровых людей альвеолярную вентиляцию можно рас­считать также по содержанию СО₂ в выдыхаемом воздухе (рис. 2.5). Поскольку в анатомическом мертвом пространстве газообмена не происходит, в конце вдоха в нем не содержится СО₂ (ничтожным содержанием СО₂ в атмосферном воздухе можно пренебречь). Значит, CO2 поступает в выдыхаемый воздух исключительно из альвеолярного воздуха, откуда имеем где Vco₂—объем CO₂, выдыхаемый за единицу времени. Сле­довательно,

V_A= Vсо₂х100 / % СO₂

Величину % С0₂/100 часто называют фракционной кон­центрацией С02 и обозначают Fco₂. Альвеолярную вентиля­цию можно рассчитать, разделив количество выдыхаемого СО₂ на концентрацию этого газа в альвеолярном воздухе, которую определяют в последних порциях выдыхаемого воздуха с по­мощью быстродействующего анализатора С0₂. Парциальное давление СО₂Рсо₂) пропорционально кон­центрации этого газа в альвеолярном воздухе:

Рсо₂=Fco₂ X K,

где К-константа. Отсюда

V_A= V_CO2/P_CO2 x K

Поскольку у здоровых людей Рсо₂ в альвеолярном воздухе и в артериальной крови практически одинаковы, Рсо₂ арте­риальной крови можно использовать для определения альвео­лярной вентиляции. Ее взаимосвязь с Рсо₂ чрезвычайно важ­на. Так, если уровень альвеолярной вентиляции снизится вдвое, то (при постоянной скорости образования СО₂ в орга­низме) Р_СО2. в альвеолярном воздухе и артериальной крови возрастет в два раза.

Анатомическое мертвое пространство

Анатомическим мертвым пространством называют объем проводящих воздухоносных путей (рис. 1.3 и 1.4). В норме он составляет около 150 мл, возрастая при глубоком вдохе, так как бронхи растягиваются окружающей их паренхимой лег­ких. Объем мертвого пространства зависит также от размеров тела и позы. Существует приближенное правило, согласно которому у сидящего человека он примерно равен в милли­литрах массе тела в фунтах (1 фунт ==453,6 г).

Объем анатомического мертвого пространства можно из­мерить по методу Фаулера. При этом обследуемый дышит через систему клапанов и непрерывно измеряется содержание азота с помощью быстродействующего анализатора, забираю­щего воздух из трубки, начинающейся у рта (рис. 2.6, Л). Когда после вдыхания 100% Оа человек делает выдох, содер­жание N₂ постепенно увеличивается по мере замены воздуха мертвого пространства альвеолярным. В конце выдоха реги­стрируется практически постоянная концентрация азота, что соответствует чистому альвеолярному воздуху. Этот участок кривой часто называют альвеолярным “плато”, хотя даже у здоровых людей он не совсем горизонтальный, а у больных с поражениями легких может круто идти вверх. При данном методе записывается также объем выдыхаемого воздуха.

Для определения объема мертвого пространства строят график, связывающий содержание N₂ с выдыхаемым объемом. Затем на этом графике проводят вертикальную линию таким образом, чтобы площадь А (см. рис. 2.6,5) была равна пло­щади Б. Объем мертвого пространства соответствует точке пересечения этой линии с осью абсцисс. Фактически этот метод дает объем проводящих воздухоносных путей до “сред­ней точки” перехода от мертвого пространства к альвеоляр­ному воздуху.

Рис. 2.6. Измерение объема анатомического мертвого пространства с помощью быстродействующего анализатора N2 по методу Фаулера. А. Пос­ле вдоха из емкости с чистым кислородом обследуемый делает выдох, и концентрация N₂ в выдыхаемом воздухе вначале повышается, а потом остается почти постоянной (кривая при этом практически выходит на плато, соответствующее чистому альвеолярному воздуху). Б. Зависимость концентрации от выдыхаемого объема. Объем мертвого пространства определяется точкой пересечения оси абсцисс с вертикальной пунктирной линией, проведенной таким образом, что площади А и Б равны

Функциональное мертвое пространство

Измерить объем мертвого пространства можно также ме­тодом Бора. Из ри2с. 2.5 видно, что выдыхаемый СО₂ посту­пает из альвеолярного воздуха, а не из воздуха мертвого про­странства. Отсюда

vt х-fe==va х fa.

Поскольку

v_t = v_a + v_d,

т. е.

v_a=v_t-v_d,

после подстановки получаем

VT хFE=(VT-VD)-FA,

следовательно,

Поскольку парциальное давление газа пропорционально его содержанию, запишем (уравнение Бора),

где А и Е относятся к альвеолярному и смешанному выдыхае­мому воздуху соответственно (см. приложение). При спокой­ном дыхании отношение объема мертвого пространства к ды­хательному объему в норме равно 0,2—0,35. У здоровых людей Рсо2 в альвеолярном воздухе и артериальной крови практически одинаковы, поэтому мы можем записать урав­нение Бора следующим образом:

:> — Рс

аср2 "СО-г ^СОг

Необходимо подчеркнуть, что методами Фаулера и Бора измеряют несколько различные показатели. Первый метод дает объем проводящих дыхательных путей вплоть до того уровня, где поступающий при вдохе воздух быстро смеши­вается с уже находившимся в легких. Этот объем зависит от геометрии быстро ветвящихся с увеличением суммарного се­чения дыхательных путей (см. рис. 1.5) и отражает строение респираторной системы. В связи с этим его называют анато­мическим мертвым пространством. По методу же Бора опре­деляется объем тех отделов легких, в которых не происходит удаление СОа из крови; поскольку этот показатель связан с работой органа, он называется функциональным (физиоло­гическим) мертвым пространством. У здоровых лиц эти объ­емы практически одинаковы. Однако у больных с пораже­ниями легких второй показатель может значительно превы­шать первый в связи с неравномерностью кровотока и вентиляции в разных отделах легких (см. гл. 5).

Регионарные различия вентиляции легких

До сих пор мы допускали, что вентиляция всех участков здоровых легких одинакова. Однако было обнаружено, что их нижние отделы вентилируются лучше верхних. Показать это можно, попросив обследуемого вдохнуть газовую смесь с радиоактивным ксеноном (рис. 2.7). Когда ¹³³Хе поступает в легкие, испускаемая им радиация проникает через грудную клетку и улавливается закрепленными на ней счетчиками из­лучения. Так можно измерить объем ксенона, поступающий в разные участки легких.

Рис. 2.7. Оценка регионарных различий в вентиляции с помощью радио­активного ксенона. Обследуемый вдыхает смесь с этим газом, и интен­сивность излучения измеряется счетчиками, помещенными снаружи груд­ной клетки. Видно, что вентиляция в легких человека в вертикальном положении ослабляется по направлению от нижних отделов к верхним

На рис. 2.7 представлены результаты, полученные с по­мощью этого метода на нескольких здоровых добровольцах. Видно, что уровень вентиляции на единицу объема выше в области нижних отделов легких и постепенно снижается по направлению к их верхушкам. Показано, что, если обследуе­мый лежит на спине, разница в вентиляции верхушечных и нижних отделов легких исчезает, однако при этом задние (дорсальные) их участки начинают вентилироваться лучше, чем передние (вентральные). В положении лежа на боку лучше вентилируется находящееся снизу легкое. Причины та­ких регионарных различий вентиляции разбираются в гл. 7.